WO1997021234A2 - Verfahren und vorrichtung zum überwachen des abbrandes der kontaktstücke bei einem schaltgerät - Google Patents

Verfahren und vorrichtung zum überwachen des abbrandes der kontaktstücke bei einem schaltgerät Download PDF

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    • G01R—MEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R31/00—Arrangements for testing electric properties; Arrangements for locating electric faults; Arrangements for electrical testing characterised by what is being tested not provided for elsewhere
    • G01R31/327—Testing of circuit interrupters, switches or circuit-breakers
    • G01R31/333—Testing of the switching capacity of high-voltage circuit-breakers ; Testing of breaking capacity or related variables, e.g. post arc current or transient recovery voltage
    • G01R31/3333—Apparatus, systems or circuits therefor
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01H—ELECTRIC SWITCHES; RELAYS; SELECTORS; EMERGENCY PROTECTIVE DEVICES
    • H01H1/00—Contacts
    • H01H1/0015—Means for testing or for inspecting contacts, e.g. wear indicator

Definitions

  • the invention relates to a method for monitoring the erosion of the contact pieces in a switching device, in particular for assessing the state of wear of contactors, the arc voltage which arises between the opening contact pieces being detected and evaluated as an indicator of the state of wear of the contacts during the switching-off process.
  • the invention also relates to a suitable device for implementing the method.
  • the service life of switching contact pieces is determined by the fire, i.e. determines the gradual loss of the contact material under the influence of the arc which arises during the switching process.
  • the erosion will usually remove the contact pieces unevenly.
  • the end of the service life of the switch contact pieces is reached when in the contact area the contact material is either completely eroded at at least one point or has been removed to a defined minimum thickness.
  • the state of the switch contact pieces is still judged in practice solely by opening the switchgear and by visual inspection. This applies in particular to the remaining service life to be expected, the knowledge of which is of central importance for the usability of the switching device and thus for the operational safety of the switched consumer.
  • DE 37 14 802 AI discloses an electronic switch in which at least one of the contact pieces is assigned a light guide, the transmission properties of which can be measured from the outside by means of suitable optical auxiliary devices. An improperly advanced contact erosion should lead to a change in the optical transmission properties and ultimately to the destruction of the light guide.
  • DE 40 28 721 C2 discloses a method for determining the remaining service life of switching devices, in which the charges which have flowed during a switching process are determined electronically and added up for the switching processes. In principle, this method is not only suitable for displaying a defined remaining service life, but also for indicating the state of wear of the contact pieces at any time.
  • the object of the invention is to provide a simplified method which is suitable for assessing the operational readiness of shooters and to provide an associated device.
  • the object is achieved according to the invention in a method of the type mentioned at the outset in that the fluctuation in the arc voltage is used as a criterion for the state of wear of the contact pieces.
  • the higher-frequency components of the arc voltage in particular above approximately 1 kHz, are preferably used to detect the degree of fluctuation in the arc voltage.
  • the higher-frequency components of the arc voltage squared after filtering. The squares can be summed up and compared to a threshold.
  • the device according to the invention is characterized by a circuit arrangement with which the fluctuation in the arc voltage is detected and used to assess the state of wear of the contact pieces.
  • the circuit arrangement advantageously consists of a high-pass filter, a square element, an integrator and a unit for generating an error signal.
  • the invention provides a method and the associated device with which the state of the main contacts, which are responsible for the electrical life of the contactor, can be recognized in a simple manner for use with contactors as switching devices.
  • units that are already present in the switching device can also be used for signal detection.
  • the single figure shows an evaluation unit for the arc voltage which arises when a switching device is switched off between the opening contact pieces.
  • the fusible link that forms between the contact pieces changes into an arc that is initially very short, but widening as the contact opening increases.
  • This arc forms base points on the contact pads of the contact pieces, which, in particular in the case of contactors, advantageously consist of contact materials based on silver-metal oxide, for example AgS-n0 2 .
  • the degree of fluctuation is defined as the difference between the maximum and the minimum of the arc voltage that occurs. It is Caused on the one hand by the movement of the arc, the speed of which lies at about 20 to 40 m / s, and on the other hand by the inhomogeneities on the contact piece surface, in which there are roughnesses of about 100 to 500 ⁇ m. For example, at a speed of 20 m / s and an average roughness of the contact surface of 200 ⁇ m, a frequency to be evaluated results in the range of 100 kHz. All sizes depend on the type and condition of the contact pieces, frequencies in each case above 1 kHz, so that these higher-frequency components of the arc voltage are to be examined.
  • a first connection to a switching device is designated U LB in the figure.
  • the U LB connection is followed by a high-pass filter 1, which filters out the higher-frequency components of the arc voltage during the switch-off process, so that the low-frequency components of the arc voltage are masked out.
  • the resulting signal becomes an amount-forming operation subjected, for example, given to a squarer 2, and summed up after squaring by an integrator 3.
  • a corresponding error signal is generated by comparison with the signal of a threshold value generator 4 and is displayed.
  • Corresponding display devices can be designed in a suitable manner for this purpose. The signal delivered in this way can be fed into a bus system for central communication.
  • the high-pass filter 1 can also be emulated in software by forming the difference of the signals from a low-pass filter. It is with the

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Abstract

Die Lebensdauer eines Schützes wird insbesondere durch den Verschleißzustand der Hauptkontakte bestimmt. Um unerwarteten Ausfällen des Schaltgerätes durch mangelnde Funktionsfähigkeit der Kontaktstücke vorzubeugen, wird erfindungsgemäß der sich beim Ausschaltvorgang zwischen den sich öffnenden Kontaktstücken ausbildende Lichtbogen als Indikator verwendet, jeweils die Lichtbogenspannung gemessen und das Schwankungsmaß der Lichtbogenspannung als Kriterium für den Verschleißzustand der Kontaktstücke herangezogen. Die zugehörige Vorrichtung besteht aus einer Schaltungsanordnung (10) aus wenigstens einem Hochpaß (1), einem Quadrierglied (2), einem Integrator (3) und einer Einheit (4) zur Generierung eines Fehlersignals.

Description

Beschreibung
Verfahren und Vorrichtung zum Überwachen des Abbrandes der Kontaktstücke bei einem Schaltgerät
Die Erfindung bezieht εich auf ein Verfahren zum Überwachen des Abbrandes der Kontaktstücke bei einem Schaltgerät, insbe¬ sondere zur Beurteilung des Verschleißzustandes von Schützen, wobei beim Ausschaltvorgang die zwischen den sich öffnenden Kontaktεtücken entstehende Lichtbogenspannung als Indikator für den Verschleißzustand der Kontakte erfaßt und bewertet wird. Daneben bezieht sich die Erfindung auch auf eine geeig¬ nete Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens.
Die Lebensdauer von Schaltkontaktstücken wird durch den Ab¬ brand, d.h. den allmählichen Verlust des Kontaktmaterials un¬ ter dem Einfluß des beim Schaltvorgang entstehenden Licht¬ bogens, bestimmt. Der Abbrand wird dabei die Kontaktstücke in der Regel ungleichmäßig abtragen. Das Lebensdauerende der Schaltkontaktstücke ist dann erreicht, wenn im Kontaktbereich an mindestens einer Stelle das Kontaktmaterial entweder völ¬ lig erodiert oder auf eine definierte Mindestdicke abgetragen ist.
Entgegen vielfältiger theoretischer Ansätze wird in der Pra¬ xis der Zustand der Schaltkontaktstücke immer noch allein durch Öffnen des Schaltgerätes und durch visuelle Inspektion beurteilt. Dies gilt insbesondere für die noch zu erwartende Restlebensdauer, deren Kenntnis von zentraler Bedeutung für die Einsätzfähigkeit des Schaltgerätes und damit für die Be¬ triebssicherheit des geschalteten Verbrauchers ist.
Aus der internationalen Anmeldung WO 94/22153 AI ist bereits ein Schaltgerät bekannt, bei dem die Kontaktstücke rückseitig geschlitzt und auf einem geteilten Kontaktträger aufgebracht sind. Durch diese Anordnung kann in einfacher Weise die Rest¬ lebensdauer des Kontaktes bestimmt werden: Wenn der Abbrand das über dem Schlitz befindliche Material erodiert hat, ent¬ stehen zwei Kontakthälften. Beim Schalten in diesem Zustand tritt zwischen den beiden Kontakthälften eine Potentialdiffe¬ renz auf, die als Spannung gemessen und zur Anzeige für den Kontaktabbrand verwendet werden kann. Daneben ist aus der
DE 37 14 802 AI ein elektronischer Schalter bekannt, bei dem wenigstens einem der Kontaktstücke ein Lichtleiter zugeordnet ist, dessen Transmissionseigenschaften von außen mittels ge¬ eigneter optischer Hilfseinrichtungen gemessen werden können. Dabei soll ein unzulässig fortgeschrittener Kontaktabbrand zur Änderung der optischen Transmissionseigenschaften und schließlich zur Zerstörung des Lichtleiters führen.
Abgesehen von obigen Einrichtungen, mit denen die mechanische Erosion der Kontaktstücke erfaßt wird, gibt es auch Vorschlä¬ ge, elektrische Signale in entsprechender Weise auszuwerten. Beispielsweise ist aus der DE 40 28 721 C2 ein Verfahren zur Ermittlung der Restlebensdauer von Schaltgeräten bekannt, bei dem die während eines Schaltvorganges geflossenen Ladungen elektronisch ermittelt und für die Schaltvorgänge aufsummiert werden. Dieses Verfahren ist vom Prinzip her nicht nur geeig¬ net, eine definierte Restlebensdauer anzuzeigen, sondern dar¬ über hinausgehend auch den Abbrandzustand der Kontaktstücke zu jedem beliebigen Zeitpunkt anzugeben.
Aufgabe der Erfindung ist es demgegenüber, ein vereinfachtes Verfahren anzugeben, das zur Beurteilung der Betriebsbereit- schaft von Schützen geeignet ist, und eine zugehörige Vor¬ richtung zu schaffen.
Die Aufgabe ist erfindungsgemäß bei einem Verfahren der ein¬ gangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Schwankungsmaß der Lichtbogenspannung als Kriterium für den Verschleißzu¬ stand der Kontaktstücke herangezogen wird. Vorzugsweise wer- den zur Erfassung des Schwankungsmaßes der Lichtbogenspannung die höherfrequenten Anteile der Lichtbogenspannung, insbeson¬ dere oberhalb von ca. 1 kHz, herangezogen. Dabei werden die höherfrequenten Anteile der Lichtbogenspannung nach einer Filterung quadriert. Die Quadrate können aufsummiert und mit einem Schwellenwert verglichen werden.
Demzufolge ist die erfindungsgemäße Vorrichtung durch eine Schaltungsanordnung, mit der das Schwankungsmaß der Licht¬ bogenspannung erfaßt und zur Beurteilung des Verschleißzu¬ standes der Kontaktstücke herangezogen wird, gekennzeichnet. Im einzelnen besteht die Schaltungsanordnung vorteilhafter- weiεe aus einem Hochpaß, einem Quadrierglied, einem Integra¬ tor und einer Einheit zur Generierung eines Fehlersignals.
Mit der Erfindung ist ein Verfahren und die zugehörige Vor¬ richtung geschaffen, mit denen für die Anwendung bei Schützen als Schaltgerät insbesondere der Zustand der Hauptkontakte, welche für die elektrische Lebensdauer des Schaltschützes verantwortlich sind, in einfacher Weise erkannt werden kön¬ nen. Vorteilhafterweise können dabei auch beim Schaltgerät bereits vorhandene Einheiten zur Signalerfassung verwendet werden.
Bei der Erfindung ist insbesondere Vorteilhaft, daß keine dauerhafte Beobachtung des Schaltgerätes bzw. der Kontakt- stücke notwendig ist, was beim eingangs genannten Stand der Technik erfolgen muß. Dies ist auch bei der DE 27 27 378 C2 notwendig, die eine Einrichtung zur Kontrolle der Betriebsfä- higkeit von elektrischen Schaltgeräten beschreibt, bei der über eine laufende Messung der Strom am Kontakt gemessen und aufsummiert wird. Die Anordnungen gemäß der DE 44 16 781 AI und DE 41 32 533 AI beinhalten demgegenüber spezifiεche Ver¬ fahren zur Messung des Verlaufes des Löschfunkens bei Lei¬ stungsschaltern bzw. zur Bewertung des Lichtbogens an Gleit- kontakten von elektrischen Maschinen.
Ein Hinweis auf das Wanderungsverhalten des Lichtbogens auf Kontaktstücken wird im VDE-Fachbericht 42 "Kontaktverhalten und Schalten" (11. Kontaktseminar vom 25. bis 27.09.1991 an der Universität Karlsruhe) gegeben. Dort wird im wesentlichen das Phänomen des sich bewegenden Lichtbogens untersucht, aber keine weitergehenden Folgerungen hinsichtlich einer Beurtei¬ lung des Verschleißzustandes der Kontaktstücke gezogen.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Figurenbeschreibung eines Ausführungs¬ beispiels in Verbindung mit den weiteren Patentansprüchen. Die einzige Figur zeigt eine Auswerteeinheit für die Licht- bogenspannung, die beim Ausschaltvorgang eines Schaltgerätes zwischen den sich öffnenden Kontaktstücken entsteht.
Bei Schaltgeräten geht während des Ausschaltvorganges die sich zwischen den Kontaktstücken ausbildende Schmelzbrücke in einen zunächst sehr kurzen, sich aber mit zunehmender Kon¬ taktöffnung aufweitenden Lichtbogen über. Dieser Lichtbogen bildet Fußpunkte auf den Kontaktauflagen der Schaltstücke, die insbesondere bei Schützen vorteilhafterweise aus Kontakt¬ werkstoffen auf Silber-Metalloxid-Basis, beispielsweise AgS- n02, bestehen. Nach einer kurzen Verharrzeit beginnt der
Lichtbogen, angetrieben durch eigenmagnetische Kräfte, eine gewünschte Wanderung in die üblicherweise vorhandenen Licht¬ bogenlöschkammer. Während dieser Bewegung iεt der Lichtbogen gezwungen, seine Fußpunkte auf den Kontaktauflagen zu ver- lagern, was mit wechselnden energetischen Verhältnissen ver¬ bunden ist. Zur Deckung der schwankenden Verlustleiεtung wird dabei durch den Lichtbogen dem elektriεchen Stromkreis eine korrespondierende Leistung entzogen. Da aufgrund der prak¬ tisch meist im Stromkreis vorhandenen Induktivitäten der Strom nicht in diesem starken Maße variieren kann, wird sich die Spannung des Lichtbogens an die wechselnden Verhältnisse anpasεen, wodurch sich ein εogenannteε Schwankungsmaß ergibt.
Das Schwankungsmaß wird als Differenz aus dem Maximum und dem Minimum der auftretenden Lichtbogenεpannung definiert. Es ist ursächlich einerseits mit der Bewegung des Lichtbogens, des¬ sen Geschwindigkeit bei etwa 20 bis 40 m/s liegt, und ande¬ rerseits mit den Inhomogenitäten auf der Kontaktstückoberflä¬ che, bei denen Rauhigkeiten von etwa 100 bis 500 um vorlie- gen, verknüpft. Beispielεweise bei einer Geschwindigkeit von 20 m/s und einer mittleren Rauhigkeit der Kontaktoberfläche von 200 μm ergibt sich eine auszuwertende Frequenz im Bereich von 100 kHz. Alle Größen hängen von Art und Zustand der Kon¬ taktstücke ab, wobei sich in jedem Fall Frequenzen oberhalb von 1 kHz ergeben, so daß diese höherfrequenten Anteile der Lichtbogenspannung zu unterεuchen εind.
Mit fortεchreitendem Verschleiß der Kontaktauflage der Schaltstücke ist eine zunehmende Aufrauhung und Zerklüftung der Kontaktstückoberfläche festzustellen. Dies bedingt wie¬ derum ein stärkeres Schwankungsmaß der Lichtbogenspannung während des Abwanderungsvorganges.
Letzterer Effekt tritt insbeεondere dann verεtärkt in Er- scheinung, wenn die Kontaktauflage deε Schaltεtückeε εoweit verbraucht iεt, daß zumindeεt partiell keine Kontaktwerk- stoffauflage mehr vorhanden ist. In diesem Fall müßte der Lichtbogen Fußpunkte auf dem Trägermaterial, daε üblicher- weiεe aus Kupfer besteht, ausbilden, waε einen Sprung in der zur Ladungεträgeremiεεion notwendigen Kathodenfallspannung verursacht.
Das mit zunehmendem Kontaktverschleiß ansteigende Schwan¬ kungsmaß der Lichtbogenεpannung kann erfaßt und zur Prognose des Verschleißzustandes der Schaltkontaktstücke herangezogen werden. Dazu ist in der Figur ein erster Anschluß an ein nicht dargestelltes Schaltgerät mit ULB bezeichnet. Dem An¬ schluß ULB ist ein Hochpaß 1 nachgeschaltet, der die höher¬ frequenten Anteile der Lichtbogenspannung während des Aus- schaltvorganges ausfiltert, womit also die niederfrequenten Anteile der Lichtbogenspannung ausgeblendet werden. Das resultierende Signal wird einer betragsbildenden Operation unterzogen, beispielsweise dafür auf einen Quadrierer 2 ge¬ geben, und nach Quadrierung durch einen Integrator 3 aufsum¬ miert.
Bei Überschreitung eines vom jeweiligen Typ des Schaltgerätes abhängigen Wertes am Ausgang des Integrators 3 wird durch Vergleich mit dem Signal eines Schwellwertgenerators 4 ein entsprechendes Fehlersignal generiert und zur Anzeige ge¬ bracht . Dafür können entsprechende Anzeigegeräte in geeigne- ter Weiεe ausgebildet sein. Das so gelieferte Signal kann zur zentralen Kommunikation in ein Busεystem eingespeist werden.
Bei der Schaltungseinrichtung gemäß der Figur kann optional der Integrator 3 bei geschlosεenen Hauptkontakten, d.h. U = 0, rückgeεetzt werden, um jeweilε definierte Ausgangs zustände vor jeder Schaltung zu gewährleisten.
In Abwandlung der Schaltung gemäß der Figur kann daε Hochpa߬ filter 1 auch softwaremäßig durch Differenzbildung der Signa- le auε einem Tiefpaß emuliert werden. Dabei wird mit der
Methode des exponentiellen Averagingε vorgegangen und das so gebildete Signal vom Originalsignal subtrahiert.

Claims

Patentanεprüche
1. Verfahren zum Überwachen des Abbrandes der Kontaktεtücke bei einem Schaltgerät, inεbesondere zur Beurteilung des Verschleißzustandes von Schützen, wobei beim Ausschaltvorgang die zwischen den sich öffnenden Kontaktstücken entstehende Lichtbogenspannung als Indikator für den Verschleißzustand der Kontakte erfaßt und bewertet wird, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das Schwankungsmaß der Lichtbogenspannung als Kriterium für den Verschleißzuεtand der Kontaktstücke herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zur Erfasεung deε Schwankungεmaßeε der Lichtbogenεpannung die höherfrequenten Anteile der Licht- bogenεpannung, insbeεondere oberhalb von ca. 1 kHz, heran¬ gezogen werden.
3. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß die höherfrequenten Anteile der
Lichtbogenspannung nach einer Filterung quadriert werden.
4. Verfahren nach Anspruch 3, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die höherfrequenten, quadrierten Anteile der Lichtbogenspannung während der
Lichtbogentrenndauer integriert und das Integral mit einem Schwellenwert verglichen wird.
5. Verfahren nach Anεpruch 4, d a d u r c h g e k e n n - z e i c h n e t , daß bei jeweils geschlossenen Kontakt¬ stücken (U = 0) der Integralwert zurückgesetzt wird, um definierte Ausgangεzustände vor jeder Schaltung zu gewähr¬ leisten.
6. Verfahren nach Anspruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß zur Filterung der hochfrequenten An¬ teile ein Hochpaßfilter verwendet wird.
7. Verfahren nach Anεpruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß die höherfrequenten Anteile der Lichtbogenεpannung durch Differenzbildung zwiεchen der Licht¬ bogenspannung und einem vorzugεweiεe durch gleitende Mittel- wertbildung der Lichtbogenεpannung erhaltenem Signal gewonnen werden.
8. Verfahren nach Anεpruch 2, d a d u r c h g e k e n n ¬ z e i c h n e t , daß daε ausgewertete Signal mit einem Schwellenwert verglichen, hieraus die Restlebensdauer berech- net und diese Information zur Überwachung und Kontrollzwecken in ein Bussystem eingespeist wird.
9. Vorrichtung zur Realisierung des Verfahrens nach Anspruch 1 oder einem der Ansprüche 2 bis 8, bei welcher der Ver- schleißzustand eines Schützeε durch Auswertung der höher¬ frequenten Anteile der Lichtbogenspannung während des Aus¬ schaltvorganges erfaßt wird, g e k e n n z e i c h n e t durch eine Schaltungsanordnung (10) , mit der das Schwankungε- maß der Lichtbogenspannung erfaßt und zur Beurteilung des Verschleißzustandes der Kontaktstücke herangezogen wird.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Einrichtung (10) aus einem Hochpaß (1), einem Quadrierglied (2), einem Integrator (3) und einer Einheit (4) zur Generierung eines Indikator- εignalε besteht.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß die Einheit zur Generierung des Indikatorsignals ein Vergleichsglied (4) iεt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß der Integrator (3) von einer Rücksetzeinheit (5) anεteuerbar ist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e ¬ k e n n z e i c h n e t , daß das Hochpaßfilter durch Differenzbildung zwischen der tiefpaßgefilderten Lichtbogen¬ spannung und der Lichtbogenεpannung selbst implementiert wird.
PCT/DE1996/002265 1995-12-01 1996-11-25 Verfahren und vorrichtung zum überwachen des abbrandes der kontaktstücke bei einem schaltgerät WO1997021234A2 (de)

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